HEFOP P /1.0

Átírás

1 Készült a HEFOP P /1.0 azonosítójú A Felsőoktatás szerkezeti és tartalmi fejlesztése című pályázat keretében. Konzorciumvezető: Pannon Egyetem Környezetmérnöki Tudástár Sorozat szerkesztő: Dr. Domokos Endre 14. kötet Sugárvédelem Szerkesztő: Dr. Somlai János Pannon Egyetem Környezetmérnöki Intézet

2 Készült a HEFOP P /1.0 azonosítójú A Felsőoktatás szerkezeti és tartalmi fejlesztése című pályázat keretében. Konzorciumvezető: Pannon Egyetem Környezetmérnöki Tudástár Sorozat szerkesztő: Dr. Domokos Endre 14. kötet Sugárvédelem Szerkesztő: Dr. Somlai János Szerzők: Benkő Zsolt István Csővári Mihály Divós Ferenc Kovács Tibor Pátzay György Raics Péter Somlai János Várhegyi András ISBN: javított kiadás 2011 Első kiadás: 2008 Veszprém Pannon Egyetem Környezetmérnöki Intézet Dr. Somlai János Sugárvédelem 2

3 Környezetmérnöki Tudástár eddig megjelent kötetei 01. Környezetföldtan 02. Környezetgazdálkodás 03. Talajvédelem, talajtan 04. Egészségvédelem 05. Környezeti analitika 06. Környezetvédelmi műszaki technológiák, technológiai rendszerek modellezése, ipari technológiák és szennyezéseik 07. Környezettan 08. Földünk állapota 09. Környezeti kémia 10. Vízgazdálkodás-Szennyvíztisztítás 11. Levegőtisztaság-védelem 12. Hulladékgazdálkodás 13. Zaj- és rezgésvédelem 14. Sugárvédelem 15. Természet- és tájvédelem 16. Környezetinformatika 17. Környezetállapot-értékelés, Magyarország környezeti állapota, monitorozás 18. Környezetmenedzsment rendszerek 19. Hulladékgazdálkodás II. 20. Környezetmenedzsment és a környezetjog 21. Környezetvédelmi energetika 22. Transzportfolyamatok a környezetvédelemben 23. Környezetinformatika II. 24. Talajtan és talajökológia 25. Rezgési spektroszkópia Dr. Somlai János Sugárvédelem 3

4 Felhasználási feltételek: Az anyag a Creative Commons Nevezd meg!-ne add el!-így add tovább! 2.5 Magyarország Licenc feltételeinek megfelelően szabadon felhasználható. További felhasználás esetén feltétlenül hivatkozni kell arra, hogy "Az anyag a HEFOP P /1.0 téma keretében készült a Pannon Egyetemen." Részletes információk a következő címen találhatóak: Dr. Somlai János Sugárvédelem 4

5 Tartalomjegyzék 1 Radioaktív izotópok, sugárzások Bevezetés (Dr. Benkő Zsolt István) Alapfogalmak (Dr. Benkő Zsolt István) Radioaktív bomlás törvényszerűségei (Dr. Benkő Zsolt István) Bomlási formák, sugárzások (Dr. Benkő Zsolt István) α-sugárzás β-sugárzás és a vele kapcsolatos jelenségek γ-sugárzás Bomlási sorok Mesterséges radioaktivitás Neutron-sugárzás Sugárzásokban található egyéb részecskék Maghasadás (indukált) Spontán maghasadás Kérdések Felhasznált Irodalom Radioaktív sugárzások mérése Sugárzás kölcsönhatása az anyaggal (Dr. Benkő Zsolt István) Detektorok (Dr. Benkő Zsolt István, Pátzay György) Mérőeszközök és jellemzőik (Pátzay György) Impulzus jelek és azok jellemzői Analóg és digitális jelek Lassú és gyors jelek Nukleáris elektronika az impulzus jelek kezelésére Erősítők Analóg-digitális átalakítók (Analog-to digital converters ADC) Sokcsatornás analizátorok (Multichannel Analyzer, MCA) Számláló (Scaler) Sugárszintmérő (Ratameter) Koincidencia egység Holtidő, feloldási idő Mérési módszerek (Pátzay György) Egyszerű számláló berendezés Egycsatornás analizátor Koincidenciás és antikoincidenciás mérés Mérési adatok feldolgozása Kérdések a 2. fejezethez Irodalom Ionizáló sugárzások dozimetriája Bevezetés (Divós Ferenc) Dózis fogalmak, dózismennyiségek és egységek (Divós Ferenc, Somlai János) Elnyelt dózis (D): Egyenérték dózis (H T ): Effektív dózis (E): Dr. Somlai János Sugárvédelem 5

6 További dózismennyiségek Lekötött egyenérték és lekötött effektív dózis Besugárzás, expozíció (besugárzási dózis) Közölt dózis (kerma) Egyéni és kollektív sugárterhelés Dózismennyiségek összefoglaló táblázata Dózis mérése (Divós Ferenc) Scintillációs detektor Személyi dozimetria (Raics Péter) A személyi sugárterhelés ellenőrzésének szükségessége A mérés elve Doziméterek személyi sugárterhelés meghatározására Töltőtoll formájú ionizációs kamrák Filmdoziméterek Szilárdtest nyomdetektorok Termolumineszcens doziméterek, TLD Elektronikus eszközök Egyéb mérési módszerek A személyi sugárterhelés hatósági ellenőrzése Sugárterhelés számolása a környezeti elemek radionuklid koncentrációjából (Somlai János) A sugárterhelést módosító tényezők: Sugárterhelés meghatározása Külső sugárterhelés a forrás direkt sugárzásától Külső β- és γ-dózis homogén (félvégtelen) felhőből, ill. talajfelszíntől Belső sugárterhelés belégzésből és lenyelésből Kérdések: IRODALOM Ionizáló sugárzások kémiai, biológiai és egészségkárosító hatásai Bevezetés (Somlai J, Kovács T) Sugárzások fizikai és kémiai hatásai (Somlai J, Kovács T) Sugárzások biológiai hatásai (Somlai J, Kovács T) A sugárzás sejtszintű hatásai (Somlai J, Kovács T) Szövetek, szervek és az emberi szervezet sugárkárosodása (Somlai J, Kovács T) Determinisztikus és sztochasztikus sugárhatás (Somlai J, Kovács T) Sugárbetegségek kimutatása (Somlai J, Kovács T) Kérdések Irodalom Sugárvédelem Bevezetés (Dr. Raics Péter) A sugárvédelmi szabályozás rendszere (Dr. Raics Péter) Kit mi ellen kell megvédeni? A szabályozás hivatalos szervezetei, szervei A sugárvédelem alapelvei Indokoltság Optimálás, ALARA Dr. Somlai János Sugárvédelem 6

7 Dóziskorlátozás Határértékek (Dr. Raics Péter) Elsődleges dóziskorlátok Másodlagos korlátok Származtatott korlátok Engedélyezett határértékek Radioaktív anyagok kibocsátása Élelmiszerek aktivitása nukleáris veszélyhelyzetben Működési korlátok Sugárveszélyes munkahelyek, foglalkozások (Dr. Raics Péter) Anyagcsoportok, izotóplaboratórium típusok Munkavállalók Munkahely és tevékenység minősítése A sugárveszélyes munkavégzés körülményei Ellenőrzött munkaterület Felügyelt munkaterület A sugárforrásokkal végzett munkák alapvető előírásai Munkahelyi Sugárvédelmi Szabályzat, MSSz Radioaktív anyagok kezelése Mentesség Felszabadítás Intézményi tevékenység megváltozása A külső sugárzás elleni védekezés műszaki-technikai megvalósítása (Dr. Raics Péter) Idővédelem Távolságvédelem Pontforrás Vonalforrások Síkforrások Sugárzáselnyelő árnyékolás Töltött részecskék elleni védelem Védekezés gamma-sugárzás ellen Sugárgyengítés Árnyékolás Neutronok elleni védelem Neutronfizikai alapok Abszorpció Védőfal neutronsugárzás ellen Orvosi beavatkozások sugáregészségügyi vonatkozásai (Dr. Raics Péter) Diagnosztika Átvilágításos technikák Radioizotópos eljárások Terápia Az orvosi alkalmazások speciális sugárvédelmi problémái Különleges események, veszélyhelyzetek kezelése. Beavatkozás (Dr. Raics Péter) Vonatkoztatási szintek a foglalkozási csoportnál Feljegyzési szint Hatósági kivizsgálási szint Veszélyhelyzeti, baleseti szintek a lakosságra vonatkozóan Beavatkozási szint (Intervention level) Cselekvési szint (Action Level) Egyéni dózisszintek különleges esetekre Ellenőrző kérdések: Ajánlott irodalom és néhány törvény, rendelet Dr. Somlai János Sugárvédelem 7

8 6 Természetes eredetű sugárzások, sugárterhelés Bevezetés (Somlai János) A kozmikus sugárzások (Somlai János, Kovács Tibor) Elsődleges kozmikus sugárzások A mágneses csapda Másodlagos kozmikus sugárzások A sugárterhelést befolyásoló tényezők Földrajzi szélesség Árnyékolás Sugárterhelés Légi közlekedés Kozmogén radionuklidok (Somlai János, Kovács Tibor) A trícium ( 3 H) A berílium ( 7 Be) A radiokarbon ( 14 C) Radioaktív kozmogén nemesgázok ( 37 Ar, 39 Ar, 81 Kr, 85 Kr) Földkérgi sugárzások (Várhegyi András) A 40 K bomlása Természetes radioaktív bomlási sorozatok Radon az épületekben, földalatti terekben (Várhegyi András) A radon kiszabadulása a kőzetekből; emanációs koefficiens A radon migrációja A radon diffúziós tényezője A radonháttér A radonkoncentráció mélységi eloszlása homogén talajban Radon exhaláció fogalma Zárttéri radonkoncentrációk épületek Radonkoncentráció földalatti térségekben A természetes eredetű sugárzásokkal kapcsolatos korlátok, szabályzások Bevezetés (Somlai János, Kovács Tibor) Az építőanyagok radiológiai minősítése (Somlai János, Kovács Tibor) Az ivóvizek radiológiai minősítése (Somlai János, Kovács Tibor) Radonnal kapcsolatos szabályozások (Várhegyi András) Kérdések Irodalom Mesterséges eredetű sugárzások, sugárterhelés Bevezetés (Somlai János) Mesterséges eredetű sugárzások forrásai (Somlai János, Kovács Tibor) Nukleáris fűtőanyagciklus Radioaktív hulladékok Atomfegyver kísérletek Radioizotópok előállítása, felhasználása Orvosi alkalmazások Izotópdiagnosztika Sugárterápia Radiofarmakonok terápiás alkalmazása Sugaras és nukleáris balesetek Dr. Somlai János Sugárvédelem 8

9 8.3 Nemzetközi Nukleáris Esemény Skála (Somlai János, Kovács Tibor) Sugár és nukleáris balesetek környezeti hatásai (Somlai János, Kovács Tibor) Atomerőművi nukleáris balesetek A Three Mile Island-i baleset A csernobili baleset Fegyverkezési balesetek A Kistimben történt baleset A Windscale-i baleset Nukleáris fegyverek szállítása Műholdak visszatérése Ipari és orvosi balesetek Kérdések Irodalom Uránbányászat és uránérc feldolgozás és a tevékenység által okozott környezeti károk felszámolása Bevezetés (Dr. Csővári Mihály) Az atomenergia szerepe az energiatermelésben (Dr. Csővári Mihály) Fűtőanyag ciklus Atomerőművek fűtőanyag igénye Uránkészletek Az urán világpiaci ára Az urán fizikai és kémiai tulajdonságai (Dr. Csővári Mihály) Fizikai tulajdonságok Biológiai hatások Uránbányászat, uránérc feldolgozás (Dr. Csővári Mihály) Külszíni és mélyművelésű bányászat Külszíni fejtés Mélyművelésű bányászat Ércfeldolgozási módszerek Klasszikus ércfeldolgozási módszerek Ércelőkészítés Uránércek feltárása Uránásványok oldódásának mechanizmusa Technológiai sémák Az urán kinyerése a feltárási oldatokból Koncentrátum-leválasztás Szárítás, izzítás Halmos (perkolációs) ércfeldolgozás Rekultiváció (Dr. Csővári Mihály) Környezeti hatások mérséklése Bányabezárás, bányák felhagyása Szilárd hulladékok (bányameddők, zagytározók) rekultivációja Radiológiai hatások mérséklése Fajlagos aktivitás Gamma-sugárzás intenzitásának (gamma-dózis teljesítmény) csökkentése Példa Radon gáz exhalációjának csökkentése Megoldás Fedőrétegek hatása a radon-exhalációra Számítási példa Radon-exhaláció a több rétegű lefedés esetén Dr. Somlai János Sugárvédelem 9

10 Szivárgásvédelem, vízminőség védelem Takaró réteg tervezésének további szempontjai Rádiummal és uránnal szennyezett vizek tisztítása Rádium kivonása szennyezett vizekből Szennyezett vizek uránmentesítése Kémiai lecsapáson alapuló módszerek Ioncsere segítségével történő uránkivonás In situ víztisztítás Vízminőség helyreállítás az uránipari objektumok környezetében Kérdések Felhasznált i rodalom Atomerőművek és környezeti hatásaik Az atomerőművek rövid története (Divós Ferenc) Az atomerőmű működési elve Divós Ferenc Atomerőmű típusok (Divós Ferenc) Forralóvizes reaktor (BWR) Nehézvizes reaktor (HWR) RBMK reaktor Gázhűtésű reaktorok (GCR) Gyors tenyésztő reaktorok (FBR) Atomerőműi kibocsátások (Divós Ferenc) A radioaktív kibocsátás Környezeti hatások (Divós Ferenc) Atomerőművek felszámolása (Raics Péter) Műszaki élettartam, biztonság Ionizáló sugárzások hatásai az anyagjellemzőkre A reaktorok kritikus berendezései Élettartam A leszerelés általános elvei A folyamat értelmezése Az okok Költségek A végrehajtás módjai Leszerelési stratégiák Leszerelési fokozatok Hulladékkezelés Radioaktív hulladékok kezelése és elhelyezése Radioaktív hulladékok osztályozása (Pátzay György) Hulladék fogalma Radioaktív hulladék fogalma Hosszú felezési idejű nuklidok radioaktív hulladékokban Kis- és közepes-aktivitású radioaktív hulladékok kezelése (Pátzay György) Bevezetés Hulladékkezelő módszerek Atomenergetikai radioaktív hulladékok kezelése Radioaktív hulladék kezelő eljárások ) Vízeltávolítási műveletek ) Hő-és kémiai kezelő eljárások ) Vegyi kezelő eljárások ) Mechanikai kezelő eljárások Dr. Somlai János Sugárvédelem 10

11 5.) Dekontaminációs eljárások Szilárd radioaktív hulladék kezelési eljárások: Folyékony radioaktív hulladékok kezelési eljárásai Mátrix anyagok ) Cement és cementbázisú anyagok ) Bitumen és bitumenbázisú anyagok ) Műanyagok és műanyagbázisú anyagok Nagy aktivitású hulladékok átmeneti tárolása (Pátzay György) A radioaktív hulladék végleges elhelyezése (Pátzay György) Környezeti radioaktív sugárzások és radionuklidok mérése, monitorozása Bevezetés (Somlai János) Környezeti dózisteljesítmény mérése (Somlai János) A felületi szennyezettség mérése (Divós Ferenc) Mobil gamma-spektrometria Környezeti minták vétele (Somlai János) A légkör, levegő mintázása Vízek mintázása A talajok mintázása Élelmiszerek Környezeti radioaktivitás mérése (Várhegyi András) Radonnal kapcsolatos mérések (Várhegyi András) Levegő radonkoncentráció mérése Levegő radon bomlástermék-koncentráció mérése Talajgáz 222 Rn koncentrációjának meghatározása Talajfelszín 222 Rn exhalációs sebességének meghatározása Szilárd minta 222 Rn emanációs tényezőjének meghatározása Levegő hosszú életű alfa aktivitáskoncentráció meghatározása Levegőből kihulló porok (fall-out) radioaktivitásának vizsgálata Az emberi test belső szennyezettségének mérése (Somlai János) Testnedvek vizsgálata Extrétumok vizsgálata Egésztest számlálók Az egésztestszámlálókban alkalmazott detektorok Árnyékolás Mérési elrendezések Kérdések Irodalom Dóziscsökkentő beavatkozások a környezetben, a lakosságnál Általános szempontok a lakossági sugárterhelés csökkentésénél (Somlai János, Kovács Tibor) Nukleárisbaleset elhárítás (Somlai János, Kovács Tibor) Korai időszak Kitelepítés Elzárkóztatás Jód profilaxis A közbenső időszak Áttelepítés Élelemiszer és ivóvíz fogyasztás korlátozása Dr. Somlai János Sugárvédelem 11

12 I Az élelmiszerek feldolgozása, előkészítése mint intézkedés Italok Tejtermékek Gyümölcs és zöldség Gabonafélék Húsok Hal és tengeri ételek A legeltetés, takarmányozás korlátozása Beavatkozási lehetőségek az állatok esetén Jód izotóp Stroncium izotóp Cézium izotóp Késői időszak A radionuklidok eltávolítása a mezőgazdasági területről A radionuklidok inmobilizálása az adott területen Beavatkozások mezőgazdasági területeken Beavatkozások magas radonkoncentráció esetén (Somlai János, Kovács Tibor) Lakóépületek radonkoncentrációja, beavatkozási szintek Beavatkozási módszerek Kérdések Irodalom Dr. Somlai János Sugárvédelem 12

13 Ábrajegyzék 1. ábra. Elektromágneses spektrum ábra. Hidrogén és izotópjai; előfordulási gyakoriságok ábra. Hélium és izotópja; előfordulási gyakoriságok ábra. Radioaktív sugárzás mágneses térben ábra. Alfa(α)-bomlás ábra. Béta-bomlás a korai ismeretek alapján ábra. Béta-bomlás a jelenlegi ismeretek szerint ábra. Részecske és antirészecske annihillációja és párkeltése ábra. β+-bomlás ábra. Elektron befogás (K-befogás) jelensége ábra. Gerjesztett atommag γ-sugárzása ábra. Tórium-sorozat (A = 4 n) ábra. Neptúnium-sorozat (A = 4 n + 1) ábra. Urán-rádium-sorozat (A = 4 n + 2) ábra. Aktínium-sorozat (A = 4 n + 3) ábra. Urán hasítása termikus neutronnal ábra. Fajlagos kötési energia a tömegszám függvényében ábra. Spontán maghasadás ábra. α-részecske által okozott ionizáció ábra. β-részecske által okozott ionizáció ábra. β-részecske fékezési sugárzása ábra. Fotoelektromos hatás ábra. Compton-szórás ábra. Modern szcintillációs számláló elvi felépítése ábra. A 131I szcintillációs (NaI(Tl)) és félvezető detektorral (Ge(Li)) mért gamma-spektruma ábra. Ionizációs kamra elvi felépítése ábra. Ionizációs kamra általános áram-feszültség karakterisztikája ábra. Proporcionális számláló keresztezett anódszálakkal ábra. Wilson-kamra (ködkamra) elvi felépítése ábra. Diffúziós ködkamra elvi felépítése ábra. Buborékkamra elvi felépítése ábra. Szikrakamra elvi felépítése ábra. Jelimpulzus jellemzői ábra. Unipoláris és bipoláris impulzus jelek ábra. a) előerősítő exponenciális lefutású impulzusa, b) a második impulzus ráült az első impulzus végére ábra Küszöbimpulzus erősítő ábra. Impulzus nyújtó ábra. Diszkriminátor ábra. Differenciális diszkriminátor (DD) ábra. Analóg digitális átalakító (ADC) ábra. Sokcsatornás analizátor (MCA) ábra. Koincidencia meghatározás impulzusok összegével ábra. Egy GM-csőben keletkezett impulzusjelek sorozata ábra Egyszerű számláló berendezés ábra. Egycsatornás analizátor ábra. Koincidenciás mérés ábra. Analógia: céllövés egy céltáblába ábra. A radosys rendszer detektor tartója és a kiértékelő rendszer Dr. Somlai János Sugárvédelem 13

14 49. ábra. TLD doziméter személyi dózis mérésére alkalmas tokban ábra. Kártya és a toll doziméter ábra. ATOMEX gyártmányú szcintillációs detektor ábra. A BITT RS-03 szonda kibontott állapotban és 2006 augusztusában Sopronban mért dózisteljesítmény az egyetem botanikus kertjében ábra. Hordozható ionizációs személyi doziméter és az önleolvasós skála ábra. A filmdoziméter részei ábra. Az ionizáló sugárzás direkt és indirekt hatása a DNS-molekulára ábra. Félhalálos dózistartományok különböző élőlények akut sugárterhelése esetén ábra. A limfocitaszám csökkenése a keringő vérben a mérsékelt (1-2 Gy), a súlyos (2-4 Gy), a nagyon súlyos (4-8 Gy) és a halálos (>8 Gy) kimenetelű sugárterhelés esetén ábra. Kromoszóma-aberrációk sugársérült emberi limfocitákban (d: dicentrikus, t: tricentrikus, q: quadrocentrikus, f: fragmentumok, r: gyűrűk) ábra. Az ólom tömegabszorpciós együtthatójának energiafüggése ábra. A gamma-sugárzás abszorpciója mérésének geometriája ábra. A természetes eredetű sugárterhelés megoszlása (robbantott kördiagramm) ábra. A kozmikus sugárzás okozta effektív dózisteljesítmény változása a tengerszint feletti magasság függvényében ábra. A természetben előforduló radioaktív sorok bomlási sémái ábra. A radon kijutása a pórustérbe ábra. Talajgáz radonkoncentráció mélységi eloszlása homogén talajban ábra. Épületben mért radonkoncentráció tipikus változása nyitott ill. zárt ablaknál ábra. Barlangi radonkoncentráció tipikus változása ábra. A földkérgi radioizotópoktól származó elnyelt gamma-dózisteljesítmény átlagértékei a lakásokban, illetve a szabadban ábra. Néhány ország ivóvízben megengedett radonkoncentráció korlátja ábra. A különböző országok által végrehajtott atombomba robbantások száma ábra. Debrecenben a csapadék összes béta aktivitásának változása az ATOMKI mérései alapján ábra. A röntgendiagnosztikai vizsgálatokkal járó sugárterhelések, angol adatok alapján ábra. Néhány jellemző izotópdiagnosztikai kezeléssel járó sugárterhelés ábra. Nemzetközi Nukleáris Esemény Skálát ábra. Csernobili baleset időpontjában 0-17 év közti gyermekek esetén a pajzsmirigy rák esetszám ábra. Fűtőanyag ciklus főbb összetevői ábra. A nukleáris energiatermelés természetes urán igénye és az urántermelés évenkénti alakulása ábra. Alacsony önköltséggel kitermelhető uránkészletek megoszlása egyes országok között ábra. Az urán világpiaci árának alakulása ábra. Külszíni uránbánya San Rafaelben (Argentína) ábra. Rádiometrikus dúsítással egybekötött ércelőkészítés elvi sémája ábra. Cáro-féle sav előállítása ausztrál uránüzemben ábra. Az egyenáramú és ellenáramú (kétfokozatú) feltárás elvi sémái ábra. Kétfokozatú nyomás alatti feltárás (Kanada) ábra. Az oldott urán híg zagyból való kinyerésének szorpciós-elúciós kinyerésének elvi vázlata ábra. A perkolációs ércfeldolgozás általános sémája ábra. Perkolácós prizmák szigetelésének és drenázsának készítése (MECSEK-ÖKÓ Zrt, 1967) ábra. Perkolációs dombok ábra. Fúrólyukas perkoláció elvi sémája ábra. A radon diffúziós állandójának függése a talaj porozitásától ás vízzel való telítettségének mértékétől ábra. Egyrétegű fedés (Shiprock, New Mxico) Dr. Somlai János Sugárvédelem 14

15 92. ábra. Réteges fedés összetevői ábra. Fedőréteg vízforgalma ábra. Zagytározó fedése és a rétegek tömörítése ábra. Vízerózió a fedőrétegben ábra. Zagytározók és a szabadvízzel borított iszapmag ábra. Az iszapmag stabilizálása a zagytározón ábra. Kavics-védőréteggel borított rekultivált zagytározó (Colorado, USA) ábra. Permeabilis reaktív gátak működési elve ábra. Az első izzók, melyeket nukleáris energiával megtermelt árammal működnek, 1951-ből, USA, Idaho állam, EBR-1 azaz Kísérleti Tenyésztő Reaktor ábra. Egy neutron ciklus. A hasító termikus neutron átlagosan 2.47 gyors neutront hoz létre. A gyors neutronok a moderátorban lelassulva a moderátoron, szerkezeti anyagon részben elnyelődve újabb hasításra kész termikus neutron áll elő ábra. A nyomottvizes reaktor felépítése ábra. Üzemanyag kazetta mérethű hasonmása a paksi látogató központban ábra. VVER-440 reaktor V230-as reaktortartálya ábra. A paksi atomerőmű VVER 440-es blokk keresztmetszete, forrás: ábra. A paksi atomerőmű madártávlatból, forrás GoogleEarth, felvétel időpontja nem ismert: ábra. A forralóvizes reaktor, (BWR) felépítése ábra. A nehézvíz moderátoros, csatorna elrendezésű CANDU reaktor felépítése ábra. CANDU reaktor 3D-s elrendezés vázlata ábra. RBMK reaktor felépítése ábra. Gázturbinás hélium hűtésű reaktor elvi vázlata ábra. Nátrium hűtésű, gyors szaporító reaktor ábra. Az USA DOE radioaktív hulladékainak megoszlása térfogat és aktivitás szerint ábra. A kis- és közepes-aktivitású radioaktív hulldékokkal kapcsolatos tevékenységek hierarchiája ábra. Radioaktív hulladékok kezelésének lépései ábra. Hazai radioaktív hulladéktárolók elhelyezkedése ábra. Az Üveghután épülő tároló bejárata ábra. A püspökszilágyi RHFT ábra. Szilárd és folyékony radioaktív hulladék kezelés lehetséges útvonalai ábra. Szilárd radioaktív hulladékok kezelésének lépései ábra. A dekontaminációs faktor (DF) és a térfogatsűrítési tényező (VRF) számítása ábra. Az atomerőműben keletkezett radioaktív hulladékok további sorsa ábra. Radioaktív hulladékok kezelési és elhelyezési stratégiái ábra. Hulladék préselő berendezések ábra. Préselés szuper kompaktorral ábra. Radioaktív hulladékok kezelése égetéssel ábra. Forgó égetőkemence (Rocky Flats, USA) ábra. Fluidágyas égetőkemence (Rocky Flats, USA) ábra. Savas hamvasztó berendezés ábra. Buktató-keverős cementező ábra. In-line keverős cementező ábra. MOWA cementező berendezés ábra. MOWA cementező berendezés ábra. Csigás-extruderes bitumenező berendezés ábra. Kétlépcsős extrudáló bitumenezés ábra. Karbamid-formaldehid típusú műanyagba ágyazó berendezés ábra. A paksi KKÁT látképe ábra. A paksi KKÁT metszeti rajza és a bővítések ábra. Sírkamraszerű föld feletti tároló (vault) Dr. Somlai János Sugárvédelem 15

16 140. ábra. Földdel borított beton tároló (cask) ábra. Földalatti sírkamraszerű betontároló (vault) ábra. Földalatti moduláris beton tároló (cask) ábra. Keskeny árok jellegű tároló (cask) ábra. A többfokozatú akadály elve ábra. A Yucca-hegységben (USA) épített tároló ábra. A Yucca-hegységben (USA) épített tároló ábra. Kiégett fűtőelemek tárolásának svéd modellje ábra. A hazai un. korai riasztási rendszer állomásai ábra. Gamma Zrt. gyártmányú BSN-92-es műszer ábra. Egy mobil gammaspektrometriai mérőrendszer a detektorral és a kapcsolódó elektronikával ábra. Az 1 m magasan felállított detektor által érzékelt terület ábra. 222Rn exhalációs mérés elrendezése ábra. Nagyméretű NAL detektror ábra. Különböző mentesítési módszerek alkalmazhatósága ábra. Radonkoncentráció csökkentése az épületben kialakított túlnyomással ábra. Radonkoncentráció csökkentése az épület alatti légtér átszellőztetésével ábra. Radonkoncentráció csökkentése az épület alatti tér megszívásával ábra. Radonkoncentráció csökkentése radon kút kialakításával Dr. Somlai János Sugárvédelem 16

17 1 Radioaktív izotópok, sugárzások 1.1 Bevezetés (Dr. Benkő Zsolt István) Ha valaki meghallja azt a szót, hogy sugárzás, rendszerint valami káros dologra gondol. Pedig egész életünk sugárzásokra épül. A Nap sugárzása látja el energiával a teljes Föld bioszféráját. A beeső napfény legnagyobb része a látható fény tartományába esik (a 380 nm-es ibolyaszíntől a 760 nm-es mélyvörösig). Az ettől hosszabb hullámú sugárzás az infravörös tartomány; ezt szokás hősugárzásnak is hívni. Éjjellátó készülékek működnek itt, ipari hőkamerák figyelik az alkatrészek melegedését, infrasugárzókkal tárgyakat vagy akár magunkat is melegíthetjük. A még hosszabb hullámú elektromágneses sugárzás a rádióhullámok tartománya. Majdnem minden modern kommunikáció ezt a csatornát használja, az emberiség ezen a tartományon is figyeli a világegyetemből érkező jeleket, itt működnek a mikrohullámú sütők is. Minden személy testén keresztül több rádió- és TV-műsor, mobiltelefonos beszélgetés halad keresztül szünet nélkül. Különösen igaz ez nagyvárosi környezetben. A látható fénynél rövidebb hullámhosszú sugárzás az ultraibolya sugárzás. A Nap ultraibolya sugárzásának nagy része a Föld felső légkörében elnyelődik, és létrehozza az ózónréteget, s így megvédi az élőlényeket e sugárzástól. A Föld történetének kezdetén azonban az ultraibolya sugárzás szükséges volt az élet kialakulásához. A még rövidebb hullámhosszú sugárzás a röntgen, a gamma és a kozmikus sugarak tartománya. Anyagszerkezeti vizsgálatokra lehet ezeket felhasználni. Az elektromágneses hullámok teljes tartományát ismerteti az 1. ábra. A különböző típusú hullámok csak a frekvenciájukban (hullámhosszukban) különböznek. Az elektromágneses sugárzást csak meghatározott adagokban lehet felvenni vagy leadni; ezek a fotonok. Vannak azonban olyan sugárzások is, melyeket nem fotonok alkotnak, hanem más elemi részecskék. Ezek különböző áthatolási képességgel rendelkeznek, s rendszerint sokkal kisebb hullámhosszal, mint az elektromágneses hullámok. Például az elektron-mikroszkópban elektronokat fókuszálnak, s így nyernek nagyfelbontású képet. Dr. Somlai János Sugárvédelem 17

18 1. ábra. Elektromágneses spektrum Emberi szervezetre ártalmas lehet a beeső összes energiától függően mindegyik fajta sugárzás, de kiemelten szokás kezelni az ultraibolya, a röntgen és a radioaktív sugárzásokat. Általában sugárvédelem alatt valamelyik fenti egészségkárosító sugárzás kizárását értjük. 1.2 Alapfogalmak (Dr. Benkő Zsolt István) A természetes és a mesterséges környezetben sokféle anyag található. Ezek közül nagyon sok kémiai vagy elektromos eljárással felbontható más anyagokra. Azokat az anyagokat, amelyeket kémiai vagy elektromos úton már nem lehet tovább bontani, kémiai elemeknek nevezzük. A kémiai elem legkisebb olyan egysége, ami még rendelkezik az elem tulajdonságaival, az atom. A környezetünkben található anyagok sokszínűségét az adja, hogy több elem atomjai kapcsolódnak egymáshoz változatos módokon (molekulákat vagy kristályrácsokat alkotva). A jelenleg ismert elemek száma ehhez képest nem túl magas: 115. A természetben stabil formában pedig csak 90 elem fordul elő. Az atomoknak van belső szerkezetük. Egy atom mérete m körül van. Kísérleti eredmények alapján az atom egy atommagra és az azt körülvevő elektronfelhőre osztható. Az atommag mérete a m tartományba esik, azaz a teljes atom térfogatának csak 1 billiomod (10-12 ) része az atommag által elfoglalt tér. Mégis itt Dr. Somlai János Sugárvédelem 18

19 összpontosul a tömeg 99,95%-a. A többi teret a szinte súlytalan elektronok felhőszerűen töltik ki. A kvantum-elméletek a tapasztalattal egyezően jól leírják, hogy az elektronok csak bizonyos pontosan meghatározott energiájú pályákon lehetnek. Ha pályát változtatnak, a különbséget elektromágneses sugárzás foton formájában veszik fel vagy sugározzák ki. Egy foton energiája a frekvenciájával arányos: 1. képlet E = h ν h = 6, J s, a Planck-állandó; ν a frekvencia. Az atomról leszakadt, szabad elektronok tetszőleges mozgási energiával rendelkezhetnek, azaz bármely foton elnyelésére vagy kibocsátására képesek lehetnek. A részecskefizikában igen elterjedt energia mértékegység (és az SI szerint is használható) az elektronvolt (ev). 1 ev az az energiamennyiség, amennyivel 1 V feszültség hatására egy szabad elektron mozgási energiája megnő. 1 ev = 1, J. Az 1. ábra látható elektromágneses spektrum nagy része elektronok által keletkezik. A rádióhullámok és mikrohullámok fémvezetőkben mozgó elektronokkal állíthatók elő. Az infravörös, a látható és az ultraibolya sugárzás molekulák vagy atomok elektronjainak mozgásához köthető. A röntgen sugárzás atomok legmélyebb energiájú elektronjainak mozgásával vagy nagy sebességre felgyorsított elektronok hirtelen lefékezésével kapcsolatos. A γ-sugárzás és a kozmikus sugárzás nem az elektronok mozgásából ered, hanem más részecskék hozzák létre. (Ezért látható az 1. ábra átfedés a röntgen-sugárzással.) Hogy ne legyen ilyen egyszerű a dolog, valamennyi elektromágneses sugárzás előállítható úgynevezett hőmérsékleti sugárzással is. Minden test, melynek magasabb a hőmérséklete, mint 0 K, sugároz; minél magasabb a hőmérséklet, a sugárzás maximuma annál rövidebb hullámhosszra esik. Az atommag is rendelkezik belső szerkezettel. Kétféle elemi részecskéből épül fel: protonokból és neutronokból (közös megnevezésük: nukleon). A proton elektromosan töltött, töltése megegyezik az elektronéval, de míg az elektron negatív, addig a proton pozitív töltésű. A neutron elektromosan semleges. A proton és a neutron közel azonos tömegű (a neutron kicsivel nehezebb), és mindkettő körülbelül 2000-szer nehezebb az elektronnál. Dr. Somlai János Sugárvédelem 19

20 Egy atomban a protonok száma megegyezik az elektronokéval, azaz az atom elektromosan semleges. Ha az atom elveszít vagy felvesz elektronokat, akkor ion keletkezik, de ez az ion még őrzi az atom kémiai tulajdonságait. Azt, hogy egy atom mely kémiai elemé, egyértelműen meghatározza a benne lévő protonok száma. Mindezen túl, az elemek bizonyos tulajdonságbeli hasonlóságaik alapján csoportosíthatóak is (ez a hasonló kvantumos elektronszerkezettel magyarázható). Ezt a csoportosított térképet, az elemek periódusos rendszerét Mengyelejev alkotta meg 1869-ben. A legkönnyebb elem a hidrogén. A magját egyetlen proton alkotja, s e körül egyetlen elektron kering. A következő elem a hélium. A magban két proton és két neutron található, s e körül két elektron kering. A neutronokra azért van szükség, mert a két pozitív töltésű proton nem tudna együtt maradni. Általában egy atommag Z számú protonból és N számú neutronból épül fel; együtt alkotják az A tömegszámú magot. 2. képlet Z + N = A Kis tömegű magoknál azonos számú proton és neutron van, a nagyobb tömegű magoknál pedig megnő a neutronok részaránya. 3. képlet Z N Az atommagban a protonokat és a neutronokat a magerők tartják össze. Ez az erő rövid hatótávolságú. Ezen a távolságon belül erősebb, mint a protonok között fellépő elektromos taszítás, de annyira nem erős, hogy a mag neutronok nélkül is stabil legyen. A periódusos rendszerben elfoglalt hely a Z protonszámhoz köthető, ezért ezt szokás rendszámnak is hívni. Az A atomtömeg első közelítésben Z darab proton és N darab neutron tömegének felel meg. Az Einstein-féle tömeg-energia ekvivalencia értelmében 4. képlet E = m c 2 Dr. Somlai János Sugárvédelem 20

21 a kötés miatt ami alacsonyabb energiaszintet jelent egy adott atommag tényleges tömege valamivel kisebb, mint a megfelelő számú proton és neutron együttes tömege. A számítások többségéhez azonban elég csak a Z rendszámot és az A tömegszámot ismerni. A legtöbb elemnek vannak olyan atomjai, melyek egymástól eltérő tömegszámmal rendelkeznek: Z azonos, de A különböző. Valójában a neutronok számában van eltérés. Ezek tehát nem azonos atomok, de azonos elemhez tartoznak, vagyis a periódusos rendszerben ugyanazt a helyet foglalják el. A nevük a görög azonos hely kifejezés után izotóp. Ha tehát egy kémiai elemnél előfordulnak különböző neutronszámú atommagok, akkor az elem összes atomját joggal hívhatjuk izotópnak. A gyakorlatban a jelentés kicsit szűkebb: egy elem leggyakrabban előforduló változatát nem szoktuk izotópnak nevezni, csak a ritkább változatokat. A hidrogén esetében az izotópoknak saját nevük is van: az egy neutront tartalmazó a deutérium vagy nehézhidrogén, a kettő neutront tartalmazó a trícium. Ezeket mutatja a 2. ábra. A képen a piros szín a protont, a semleges szürke szín a neutront jelzi. Természetesen az elemi részecskéknek nincs színük; ez egy hagyományos ábrázolási mód. Az ábra tartalmazza az előfordulási gyakoriságot is. 2. ábra. Hidrogén és izotópjai; előfordulási gyakoriságok A 3. ábra a következő elem, a hélium atommagját és izotópját mutatja; ezeknek már nincs önálló nevük. Az egyes atommagokat úgy különböztetjük meg egymástól, hogy az elem vegyjele elé felső index pozícióba beírjuk az A tömegszámot. Ha a Z rendszámot is ki akarjuk hangsúlyozni, akkor azt a vegyjel elé alsó index pozícióba Dr. Somlai János Sugárvédelem 21

22 szokás írni; de ezt nem mindig kell kitenni. Elfogadott jelölés a vegyjel után kötőjellel írt azonos betüméretű tömegszám is. 3. ábra. Hélium és izotópja; előfordulási gyakoriságok 1.3 Radioaktív bomlás törvényszerűségei (Dr. Benkő Zsolt István) A radioaktivitás jelenségét Henry Becquerel fedezte fel 1896-ban miközben az egy évvel korábban felfedezett röntgen-sugárzással kapcsolatos megfigyeléseket végzett. A megfigyeléseihez fotólemezeket és napfényt használt, s a kísérleteit egy borús időszak miatt szüneteltetnie kellett. Amikor elővette a gondosan becsomagolt és fiókba tett fotólemezeit, ellenőrzésképpen előhívta őket. Meglepetten tapasztalta, hogy a lemezeken a röntgen-sugarakhoz hasonló elváltozások vannak. Azt találta, hogy urán közelében erős ez a jelenség, urán nélkül viszont nincs. Később azt is sikerült igazolnia, hogy csak az uránatomok számától függ a jelenség, attól nem, hogy az urán milyen kémiai formában van jelen. E felfedezés nyomán sok kutató kezdte vizsgálni az új jelenséget, közülük kiemelkedik Marie és Pierre Curie. Marie Curie a radioaktivitás kutatása terén elért eredményeiért kétszer is megkapta a Nobel-díjat. A természetben előforduló atommagok többsége stabil. Találhatóak azonban olyanok is, melyek egy idő után átalakulnak valami mássá. Ezt az átalakulást mindig kíséri részecske sugárzás, néha elektromágneses sugárzással együtt. Az ilyen atommagokat nevezzük radioaktív magoknak. A radioaktív magok esetében nem teljesen ismertek a változást előidéző folyamatok, okok. Egy adott atommag esetén az átalakulás esetleges; nem megjósolható. Ha Dr. Somlai János Sugárvédelem 22

23 egyetlen atommagot kiszemelünk, akkor annál a változás bekövetkezhet a másodperc töredéke múlva vagy akár milliárd évekkel később. Csak az azonos atommagok nagy sokaságára tudunk előjelezni bizonyos értékeket. A radioaktív átalakulás tökéletesen, a matematikai értelemben véve, statisztikai jelleget mutat. Az átalakulás legtöbbször valamilyen részecske távozásával jár, ezért a jelenség neve radioaktív bomlás. Megfigyelések nyomán azt az alapvető törvényszerűséget találták, hogy adott (rövid) időtartam alatt a megváltozott atommagok száma arányos a kezdetben meglévő atommagok számával. Képletben kifejezve: dn 5. képlet = λ N dt N a kezdetben meglévő radioaktív atommagok száma, λ a bomlási állandó. A tapasztalat szerint λ csak az atommag fajtájára jellemző, egyéb körülményektől (nyomás, hőmérséklet, elektromos és mágneses terek) független. Az 5. képlet a radioaktív bomlás törvényének a differenciális alakja. Ebből az integrális alak: 6. képlet N = N 0 e λ t A még el nem bomlott atommagok száma az idővel exponenciálisan csökken. 7. képlet 1 τ = λ τ az átlagos élettartam. A legtöbb esetben nem a λ bomlási állandót vagy a τ átlagos élettartamot használják egy radioaktív anyag jellemzésére, hanem a T felezési időt. Ez az az időtartam, mely alatt a radioaktív magok száma felére csökken. A 6. képlet alapján: 8. képlet N 0 2 = N 0 e λ T ebből: Dr. Somlai János Sugárvédelem 23

24 9. képlet ln 2 T = λ A 6. képlettel megfogalmazott bomlási törvény tehát felírható a következő alakban is: T 10. képlet N = N 2 0 t A radioaktív anyag jellemzője az aktivitás; ez megadja az időegység alatt történő bomlások számát. dn 11. képlet A = = λ N dt vagy λ t T 12. képlet A = A e = A t ahol ln 2 13.képlet A0 = λ N0 = N0 T Az aktivitás mértékegysége a becquerel (Bq): 1 Bq aktivitású az az anyag, melyben 1 bomlás zajlik le 1 s alatt. Korábban elfogadott egység volt a curie (Ci): 1 Ci = 3, Bq. Ez 1 g tiszta rádium ( 226 Ra) aktivitása. Nagyon sok esetben egy radioaktív bomlás eredménye szintén radioaktív atommag lesz. A következő bomlás eredménye ugyancsak radioaktív lehet, azaz kialakulhatnak egész bomlási sorok. A sor utolsó eleme mindig egy stabil mag. Ha a sor első eleme nagyobb felezési idejű (kisebb bomlási állandóval rendelkezik), mint a második, akkor a zárt helyen együttlévő különböző anyagok között radioaktív egyensúly alakulhat ki; amennyi eredeti anyag átalakul első származékká, Dr. Somlai János Sugárvédelem 24

25 ugyanannyi első származék alakul át második származékká, és így tovább. Egyenlettel kifejezve: 14. képlet λ N = λ N = λ N = azaz 15. képlet N N : N :... = T : T : :... 1 : T3 A 15. képlet felhasználható nagyon hosszú vagy nagyon rövid felezési idejű anyagok felezési idejének megállapítására. 1.4 Bomlási formák, sugárzások (Dr. Benkő Zsolt István) Az urán sugárzásának vizsgálata kapcsán Ernest Rutherford 1899-ben észrevette, hogy a sugárzás nem egynemű, hanem felosztható két részre: az α-sugárzás pozitív töltésű, nagy tömegű részecskékből, a β-sugárzás pedig - a mágneses térben végzett elhajlási kísérletek alapján - elektronokból áll. Különbözik az áthatolási képességük és az ionizáló hatásuk is. Az α-sugárzás erősen ionizáló hatású és kis áthatoló képességű, a β-sugárzás gyengébben ionizál, de az áthatoló képessége nagyobb ban Paul Villard felfedezte a harmadik sugárzást is, a γ-sugárzást. Ennek a legnagyobb az áthatolási képessége és a legkisebb az ionizáló hatása a három közül. Mágneses tér hatására a γ-sugarak nem hajolnak el, azaz nincs töltésük. A 4. ábra mutatja egy kísérleti elrendezés a radioaktív sugárzás vizsgálatára. A radioaktív sugárforrásból kilépő nyaláb mágneses térbe lép be (a mágneses indukció vektora merőleges az ábra síkjára), ennek hatására a nyaláb három részre válik szét. Lesz egy nyaláb, amely egyenesen halad tovább; ez a rész a γ-sugárzás, ami fotonokból áll. Egy másik nyaláb kissé elhajlik, s az elhajlás iránya azt mutatja, hogy pozitív töltésű részecskékből áll; ez az α-sugárzás. A harmadik éppen ellenkező irányba hajlik el, mégpedig jelentős mértékben, ez tehát negatív részecskékből áll. Akkoriban már ismerték az elektronokat és a katódsugárzást, így könnyen tudták azonosítani a β-sugárzással. Dr. Somlai János Sugárvédelem 25

26 4. ábra. Radioaktív sugárzás mágneses térben α-sugárzás Az α-sugárzás természetére vonatkozóan több kísérletet végeztek. Meghatározták az α-részecskék töltését (Q), ami a hidrogén-ion (proton) töltésének kétszerese. Meghatározták a fajlagos töltését (Q/m), ami a hidrogén-ion fajlagos töltésének a fele. Így az eredmények alapján az α-részecske kétszer nagyobb töltésű és négyszer nehezebb, mint a hidrogén-ion, vagyis nem más, mint egy hélium atom magja (He 2+ ). 5. ábra. Alfa(α)-bomlás Dr. Somlai János Sugárvédelem 26

27 Rutherford és Thomas Royds 1909-ben közvetlen kísérlettel is bebizonyította, hogy üvegedényben elzárt α-sugárzó radioaktív preparátum mellett a gázban néhány nap elteltével már kimutatható a hélium jelenléte. Az alfa-bomlás a következőképpen írható le: 16. képlet A Z X A 4 Z X + 2 He 2+ Az X elem rendszáma kettővel csökken, a tömegszáma pedig néggyel. A magból kibocsátott α-részecskék mozgási energiája 4 és 9 MeV között van. Az érték jellemző a kibocsátó atommagra: pl. rádium ( 226 Ra) esetén 4,8 MeV. Az α-részecske a kvantummechanikai alagút-effektussal jut ki az atommagból β-sugárzás és a vele kapcsolatos jelenségek A β-sugárzással kapcsolatosan elég sok kérdés merült fel. Elektronok ugyanis nincsenek az atommagban. Ha mégis onnan jönnek, akkor ott kell keletkezniük. A béta-bomló anyagok esetén a tömegszám marad, de a rendszám eggyel nő. Logikusnak látszott feltételezni, hogy egy neutron fel tud bomlani egy protonra és egy elektronra. 17. képlet n 0 p + + e Így egy béta-bomló elem atommagja a következők szerint módosul: 18. képlet A A Z X Z + 1 X + e A 6. ábra során bemutatott és 17. képlettel leírt jelenség csak feltételezésen alapult a neutron 1932-es felfedezéséig (James Chadwick). Az előbbiekben vázolt folyamattal volt néhány probléma. Az elektronok mozgási energiája néhány kev-tól több MeV-ig terjed. Egy adott béta-bomló radioaktív elem esetében a kiindulási és a végállapoti mag energiája mindig ugyanaz; a belőle kilépő elektronok energia-eloszlása ennek ellenére folytonos képet mutat. Van lassabb és gyorsabb elektron is, de az energiája mindig kisebb, mint a két mag energiája közötti Dr. Somlai János Sugárvédelem 27

28 különbség. Sérülni látszott a mindeddig kiválóan használható energia megmaradás elve. A megoldást Wolfgang Pauli javasolta 1930-ban: feltételezett egy új elemi részecskét, a neutrínót. A neutrínó (ν) hasonlóan viselkedik, mint az elektron, de elektromosan semleges, mint a neutron és nincs nyugalmi tömege, mint a fotonnak. 6. ábra. Béta-bomlás a korai ismeretek alapján A 17. képlet így módosul: képlet n 0 p + e + ν A magra vonatkozóan: A A 20. képlet X X + + ν Z Z + 1 e Egy neutron elbomlik egy protonra, egy elektronra és egy antineutrínóra. Az elemi részecskék mindegyikének van úgynevezett antirészecskéje. Ha elektromosan töltött a részecske, akkor az antirészecske töltése ellentétes, ha semleges, akkor az antirészecske is semleges. Minden egyéb tulajdonságuk megegyezik. Ha egy részecske találkozik az antirészecskéjével, akkor mindketten megsemmisülnek, és a teljes energiájuk két (esetleg több) foton formájában távozik. Dr. Somlai János Sugárvédelem 28

29 7. ábra. Béta-bomlás a jelenlegi ismeretek szerint Ez az annihilláció. A keletkező fotonok frekvenciája az 1. és 4. képlet alapján: 21. képlet h ν = m c 2 Az impulzus megmaradás tiltja egyetlen foton keletkezését, legalább kettő kell. Minden részecske csak a saját antirészecskéjével tud annihillálódni. A foton az egyedüli, melynek nincs antirészecskéje vagy úgy is lehet fogalmazni, hogy az antirészecskéje önmaga. A folyamat lejátszódhat fordított irányban is: kellően nagy energiájú foton (lásd 21. képlet) elbomolhat részecskére és antirészecskére. Ez a párkeltés. A párkeltéshez szükséges egy atommag vagy egy valamilyen nehéz részecske jelenléte (ez veszi fel a gamma-foton impulzusát). A megfelelő antirészecskét többnyire felülvonással szokás jelezni. Ha a részecske elektromosan töltött, akkor elég csak a töltés előjelét feltüntetni. A magyarázat arra, hogy a béta-bomlás során antineutrínó keletkezik, nem pedig neutrínó, néhány további ebben a jegyzetben nem tárgyalt megmaradási törvény. (Barionszám megmaradás és leptonszám megmaradás.) A neutrínó elektromosan semleges, azaz elektromos és mágneses terekkel nem befolyásolható. Csak az úgynevezett gyenge kölcsönhatás (ide tartozik a bétabomlás is) kapcsán érintkezik az anyaggal. E kölcsönhatás valószínűsége igen kicsiny, ezért gyakorlatilag átrepül mindenen. Körülbelül 1 fényév (10 16 m) vastag ólomtömb csökkentené egy neutrínó-nyaláb erősségét a felére. Ebből következik, Dr. Somlai János Sugárvédelem 29

30 hogy igen nehéz detektálni. Az első kísérleti bizonyítékra 1956-ig kellett várni. Azóta felfedezték, hogy háromféle neutrínó létezik; mindegyik úgynevezett könnyű részecskéhez (leptonhoz) tartozik. A leptonok viselkedése elektronszerű, csak a tömegük különbözik. A jelenlegi kísérletek arra engednek következtetni, hogy a neutrínó tömege nem nulla. A mérések megadnak felső határokat a tömegre. A bétabomlásban résztvevő elektron-neutrínó (ν e ) tömege legalább szer kisebb, mint az elektroné. (A 4. képletet felhasználva: kisebb, mint 2,2 ev.) 8. ábra. Részecske és antirészecske annihillációja és párkeltése A szabad nem atommagban lévő neutronok mindig elbomlanak a 19. képlet által leírt módon, körülbelül 15 perces átlagos élettartammal (τ). A béta-bomláshoz hasonló más jelenségeket is felfedeztek. Az egyik a β + -bomlás. A β + -bomlás során egy proton alakul át neutronná, miközben távozik az elektron antirészecskéje, a pozitron (e + ) és egy neutrínó képlet p n + e + ν Másképpen: A A képlet X X + e + ν Z Z 1 Dr. Somlai János Sugárvédelem 30

31 9. ábra. β+-bomlás 10. ábra. Elektron befogás (K-befogás) jelensége Ugyancsak ebbe a jelenségkörbe tartozik az elektron befogás, vagy K-befogás, amikor egy olyan atommag, melyben alacsony a neutronok aránya, a hozzá legközelebb eső pályán (ez a K jelű pálya) lévő elektront elnyeli. Ez a jelenség tekinthető a béta-bomlás fordított folyamatának. Képlettel leírva: 24. képlet p + + e n 0 + ν Így az atommag megváltozása: A A 25. képlet X e X + ν Z + Z 1 Dr. Somlai János Sugárvédelem 31